计算机系统要素：如何从头构建一台现代计算机（原书第2版）

本书是一本经典的计算机系统入门教程，全球已有400多所高校将本书纳入教学体系，在线课程的注册学员超过20万人。作者秉承“理解计算机系统的最佳方法是从零开始构建一台计算机”的理念，以“从与非门到俄罗斯方块”为学习目标，将软件和硬件的核心主题巧妙地组织起来，使初学者能够在很短的时间内全面理解计算机专业的核心概念，从而为后续的专业课程学习奠定坚实的基础。

本书涵盖数电、体系结构、汇编语言、编译器、操作系统等计算机核心课程的基础内容，结合项目实践能够对整个计算机学科建立宏观的理解，并能完成制作一个基本计算机系统的任务。

目　　录<br /><br />译者序<br />前言<br />第一部分　硬件<br />I.1　Hello，World之下　2<br />I.2　从与非门到俄罗斯方块　3<br />I.3　抽象与实现　4<br />I.4　设计方法　5<br />I.5　前方之路　6<br />第1章　布尔逻辑　7<br />1.1　布尔代数　7<br />1.1.1　布尔函数　8<br />1.1.2　真值表和布尔表达式　8<br />1.2　门　9<br />1.3　硬件构造　10<br />1.3.1　硬件描述语言　11<br />1.3.2　硬件模拟　13<br />1.4　规范　14<br />1.4.1　与非门　14<br />1.4.2　基本逻辑门　14<br />1.4.3　基本门的多位版本　15<br />1.4.4　基本门的多路版本　16<br />1.5　实现　17<br />1.5.1　行为模拟　17<br />1.5.2　硬件实现　18<br />1.5.3　内置芯片　19<br />1.6　实验　19<br />1.7　总结与讨论　20<br />第2章　布尔运算　21<br />2.1　算术运算　21<br />2.2　二进制数　21<br />2.3　二进制加法　22<br />2.4　有符号二进制数　23<br />2.5　规范　24<br />2.5.1　加法器　24<br />2.5.2　算术逻辑单元　25<br />2.6　实现　28<br />2.7　实验　29<br />2.8　总结与讨论　29<br />第3章　存储　31<br />3.1　存储设备　31<br />3.2　时序逻辑　32<br />3.2.1　时间很重要　32<br />3.2.2　触发器　34<br />3.2.3　组合与时序逻辑　34<br />3.3　规范　35<br />3.3.1　数据触发器　36<br />3.3.2　寄存器　36<br />3.3.3　RAM　37<br />3.3.4　计数器　38<br />3.4　实现　38<br />3.4.1　数据触发器　38<br />3.4.2　寄存器　38<br />3.4.3　RAM　39<br />3.4.4　计数器　40<br />3.5　实验　40<br />3.6　总结与讨论　41<br />第4章　机器语言　42<br />4.1　机器语言概述　42<br />4.1.1　硬件单元　42<br />4.1.2　语言　43<br />4.1.3　指令　44<br />4.2　Hack的机器语言　45<br />4.2.1　背景　45<br />4.2.2　程序示例　48<br />4.2.3　Hack语言规范　49<br />4.2.4　符号　50<br />4.2.5　输入/输出处理　52<br />4.2.6　语法约定和文件格式　52<br />4.3　Hack编程　53<br />4.4　实验　55<br />4.5　总结与讨论　57<br />第5章　计算机体系结构　58<br />5.1　计算机体系结构基础　58<br />5.1.1　存储程序的概念　58<br />5.1.2　冯·诺依曼体系结构　59<br />5.1.3　存储器　59<br />5.1.4　中央处理单元　60<br />5.1.5　输入和输出　61<br />5.2　Hack硬件平台规范　62<br />5.2.1　概述　62<br />5.2.2　中央处理单元　62<br />5.2.3　指令存储器　63<br />5.2.4　输入/输出　63<br />5.2.5　数据存储器　65<br />5.2.6　计算机　66<br />5.3　实现　66<br />5.3.1　中央处理单元　66<br />5.3.2　内存　68<br />5.3.3　计算机　68<br />5.4　实验　69<br />5.5　总结与讨论　70<br />第6章　汇编器　72<br />6.1　背景　72<br />6.2　Hack机器语言规范　73<br />6.2.1　程序　74<br />6.2.2　符号　74<br />6.2.3　语法约定　75<br />6.3　汇编到二进制的翻译　76<br />6.3.1　处理指令　76<br />6.3.2　处理符号　76<br />6.4　实现　77<br />6.4.1　实现一个基本的汇编器　77<br />6.4.2　完成汇编器　79<br />6.5　实验　79<br />6.6　总结与讨论　81<br />第二部分　软件<br />II.1　Jack编程初探　85<br />II.2　程序的编译　87<br />第7章　虚拟机Ⅰ：处理　89<br />7.1　虚拟机范式　90<br />7.2　栈机器　91<br />7.2.1　入栈和出栈　91<br />7.2.2　栈上的算术运算　92<br />7.2.3　虚拟内存段　94<br />7.3　虚拟机规范：第一部分　94<br />7.4　实现　95<br />7.4.1　Hack平台上的标准虚拟机<br />映射：第一部分　96<br />7.4.2　虚拟机模拟器　98<br />7.4.3　有关虚拟机实现的设计建议　99<br />7.5　实验　101<br />7.6　总结与讨论　102<br />第8章　虚拟机Ⅱ：控制　105<br />8.1　高级魔法　105<br />8.2　分支　106<br />8.3　函数　108<br />8.4　虚拟机规范：第二部分　113<br />8.4.1　分支命令　113<br />8.4.2　函数命令　113<br />8.4.3　虚拟机程序　113<br />8.5　实现　114<br />8.5.1　函数调用和返回　114<br />8.5.2　Hack平台上的标准虚拟机<br />映射：第二部分　115<br />8.5.3　有关虚拟机实现的设计建议　117<br />8.6　实验　118<br />8.7　总结与讨论　120<br />第9章　高级语言　122<br />9.1　例子　122<br />9.2　Jack语言规范　126<br />9.2.1　语法元素　126<br />9.2.2　程序结构　127<br />9.2.3　数据类型　128<br />9.2.4　变量　130<br />9.2.5　语句　130<br />9.2.6　表达式　130<br />9.2.7　子例程调用　131<br />9.2.8　对象的创建与清除　132<br />9.3　编写Jack应用程序　132<br />9.4　实验　133<br />9.5　总结与讨论　134<br />第10章　编译器Ⅰ：语法分析　136<br />10.1　背景　137<br />10.1.1　词法分析　137<br />10.1.2　语法规则　138<br />10.1.3　语法解析　139<br />10.1.4　解析器　141<br />10.2　规范　142<br />10.2.1　Jack语言的语法　143<br />10.2.2　Jack语言的语法分析器　144<br />10.3　实现　144<br />10.3.1　Jack分词器　145<br />10.3.2　编译引擎　145<br />10.3.3　Jack分析器　147<br />10.4　实验　147<br />10.4.1　分词器　148<br />10.4.2　编译引擎　149<br />10.5　总结与讨论　150<br />第11章　编译器Ⅱ：代码生成　151<br />11.1　代码生成　152<br />11.1.1　变量的编译　152<br />11.1.2　表达式的编译　155<br />11.1.3　字符串的编译　157<br />11.1.4　语句的编译　157<br />11.1.5　对象的编译　159<br />11.1.6　数组的编译　165<br />11.2　规范　166<br />11.3　实现　166<br />11.3.1　虚拟机上的标准映射　167<br />11.3.2　实现指南　167<br />11.3.3　软件架构　170<br />11.4　实验　172<br />11.4.1　实施阶段　172<br />11.4.2　测试程序集　173<br />11.5　总结与讨论　174<br />第12章　操作系统　176<br />12.1　背景　177<br />12.1.1　数学运算　177<br />12.1.2　字符串　180<br />12.1.3　内存管理　181<br />12.1.4　图形化输出　183<br />12.1.5　字符的输出　185<br />12.1.6　键盘输入　186<br />12.2　Jack操作系统规范　187<br />12.3　实现　187<br />12.4　实验　192<br />12.4.1　测试计划　192<br />12.4.2　完整测试　194<br />12.5　总结与讨论　195<br />第三部分　进一步讨论<br />第13章　探索更多乐趣　198<br />13.1　硬件的实现　198<br />13.2　硬件的改进　199<br />13.3　高级语言　199<br />13.4　优化　199<br />13.5　通信　199<br />附录<br />附录A　布尔函数综合　202<br />附录B　硬件描述语言　206<br />附录C　测试描述语言　217<br />附录D　Hack芯片集合　227<br />附录E　Hack中的字符集　228<br />附录F　Jack操作系统的API　229<br /><br />○原书并未将第13章单独列为一部分，为确保本书体系更完整、合理，将第13章列为第3部分。—编辑注